[Flash Info Chimie] #28 L’urine des astronautes pour recharger les portables ?

L’info a déjà été reprise, et tout à fait correctement, mais je ne résiste pas à la tentation d’en faire un petit billet aussi… (Et désolé pour le titre*, il m’est venu tout seul )

Imaginez la scène : 3 astronautes sont envoyés sur Mars. Le voyage dure 180 jours. Pendant ces 180 jours, les astronautes vont uriner chacun environ 1,5 L (estimation de la NASA. Voir la publication en référence). Cela fait, en tout 810 litres d’urine. Dans une mission où chaque gramme compte, il est impensable de ne pas tenter d’exploiter au maximum ce produit.

Actuellement, c’est la distillation qui permet de récupérer de l’eau potable à partir de cette urine. On la fait bouillir, on récupère les vapeurs d’eau (les autres constituants, moins volatils, se concentre dans le liquide restant), que l’on recondense pour obtenir l’eau, et on brûle ce qui reste. Cette méthode, comme vous le lirez un peu partout, est gourmande en énergie (il faut chauffer, brûler,…). Et puis le processus n’est pas aussi simple que sur Terre : chez nous, quand on fait bouillir de l’eau, les vapeurs montent, et il est donc facile de les séparer du liquide. Si elles montent, c’est qu’elles sont moins denses que l’air : les forces de gravitation qu’elles subissent sont plus faibles que celles qui s’exercent sur l’air. L’air descend, la vapeur d’eau chaude monte.

Mais en apesanteur, il n’y a, par définition, plus (ou presque) de gravité : les vapeurs ne « montent » pas, ne se séparent pas du liquide ! Du coup, on chauffe en centrifugeant en même temps : l’eau est repoussée sur les bords, pendant que les vapeurs se retrouve au centre de la centrifugeuse, et peuvent être récupérées. Ouf ! On finit par y arriver. Mais il faut de l’énergie pour chauffer et centrifuger, et il faut de la place pour a centrifugeuse.

Heureusement, il existe un autre procédé de purification, moins coûteux en énergie, et plus « flexible » : il s’agit d’utiliser le phénomène d’osmose inverse. Sans entrer dans les détails, il s’agit de filtrer l’eau à l’aide d’une paroi semi-perméable laissant passer l’eau, mais pas les espèces chimiques dissoutes dedans : on obtient d’un côté de l’eau pure, de l’autre une solution d’urine concentrée. La consommation d’énergie est beaucoup plus faible, même si cette filtration doit s’effectuer avec une pression importante.

Dans cette publication, du journal Sustainable Chemistry Engeneering, C.R. Cabrera et son équipe va plus loin : plutôt que de se débarrasser de l’urine concentrée, ils proposent de l’utiliser pour produire de l’électricité.

Le constituant principal de l’urine, mis à part l’eau, est l’urée (CO(NH2)2). L’idée (qui n’est pas nouvelle en réalité), est de l’utiliser pour synthétiser de l’ammoniac (NH3) :

CO(NH_{2})_{2} + H_{2}O \longrightarrow 2 NH_{3} + CO_{2}

 (Cette réaction est bien connue de ceux qui ne nettoient pas bien leurs toilettes, qui se mettent alors à sentir très fort… l’ammoniac. Dans la publication, cette réaction est catalysée par des enzymes, des uréases, qui lui permette d’être rapide, et controlée)

Cet ammoniac peut ensuite servir de « carburant » pour une pile à combustible (ce qui n’est pas non plus nouveau), et ainsi produire de l’énergie, en réagissant avec du dioxygène. Les seuls déchets sont alors du diazote N2 et de l’eau.

4NH_{3} + 3O_{2} \longrightarrow 2N_{2} + 6H_{2}O

Pour résumer ces travaux : rien de nouveaux sous le soleil. Le principe d’osmose inverse et les réactions chimiques sont bien connues, comme la pile à combustible à ammoniac. Ce qui est tout de même intéressant, c’est que les auteurs apportent là une « preuve de concept » sur un procédé global, depuis l’urine jusqu’à l’eau potable et l’énergie, dont la technologie est au point, et les rendements acceptables pour un système embarqué… Pour aller jusqu’à Mars ?

« Evaluation of a Urea Bioelectrochemical System for Wastewater Treatment Processes » E. Nicolau et al.ACS Sustainable Chem Eng 2014, 2, 749-754.

* Pour une explication du titre, vous pouvez aller voir ici par exemple

Sur le même sujet, vous pourrez lire :

Sur le principe de l’osmose, et de ses applications :

Sur un autre exemple de problème avec les liquides et les gaz en apesanteur :

 

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